[发明专利]一种高速立体三维多模态成像系统和方法

说明书

本发明公开了一种高速立体三维多模态成像系统和方法，属于光学检测领域。包括：分束器，用于产生两束角度不同的近红外子飞秒脉冲激光光束；旋转角度分别可调的平面镜对，分别用于反射两近红外子超快脉冲激光光束；紧聚焦透镜，用于紧聚焦两近红外子飞秒脉冲激光光束于三维微纳尺度样品上；显微镜载物台，用于装载三维微纳尺度样品，以及三维位移样品；成像透镜，用于收集样品散射产生的多模态非线性光谱信号，得到两幅二维图像；大面积阵列探测器，用于同时探测两幅二维图像；真三维成像模块，用于根据探测得到的两幅二维图像进行真三维成像。本发明通过单次测量多模态非线性光谱产生的两幅视角灵活的二维视图，减少观测时间与样品损伤。

技术领域

本发明属于计算机立体技术的光学检测领域，更具体地，涉及一种高速立体三维多模态成像系统和方法。

背景技术

在无损成像领域中，基于相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)的多光子光谱显微技术是一种观察微观世界的强大手段。该技术通过探测目标分子或固体晶格特定的振动来提供成像所需的信号，通过非线性光学过程大大提高了检测的灵敏度与精度。CARS可以同时联合其他模态的非线性光谱(如：双光子荧光TPEF，二次谐波SHG，三次谐波THG等)构成多模态非线性光谱显微成像技术，能够实现在单次实验中同时对微纳尺度样品多成分分析物理化学性质。同时，多模态非线性光谱成像技术本征地具备三维成像能力。然而已有的多模态非线性光谱成像技术在实现超快三维(3D)成像上面临着严峻的挑战。(1)目前的3D成像技术主要基于计算机断层扫描，需要将样品相对于照明源多次旋转，或者对不同深度进行聚焦层析，完成了全套2D投影，然后重新组合以形成3D图像。但这技术需要数百个视图，需要巨额耗时和大幅剂量的照射，使该技术面对超快速过程或剂量敏感的样品成像不可行。(2)为了减少测量次数，人们提出了一种基于处理皮质区域中的双眼视差原理的人脑快速3D感知成像方法。但此三维成像方法的主要缺点是人脑的3D感知效果纯粹是生理性的，且没有定量的深度信息；此外，为了实现认知的3D重建，两个二维视图之间的角度必须很小，限制了结构信息的增益。

综上所述，现有真三维成像方法需要多角度转动样品进行多次观测，成像条件限制多，操作复杂，导致成像速度慢，且难以定量地获得3D物体深度信息。文献中已有体内层叠技术(ptychotomography)可用于超高分辨率3D成像，然而Ptychotomography在所需的投影数量方面也非常苛刻，同时这种技术需要大量相同的样本，并生成大量需要进行分类和组合的数据，以提供一整套一致的3D数据。尽管Miao等人提也出了从单次衍射图案检索3D结构的技术，但是它们是在有限的情况下工作并且严重依赖于样本的先验知识，成像局限性太大。

发明内容

针对现有技术中3D成像速度慢、景深难测量和成像条件苛刻的问题，本发明提供了一种高速立体三维多模态成像系统和方法，其目的在于通过将光一分为二，调整光对样品的入射角度，借助计算机立体成像技术，实现高速三维成像，只需一次测量可获得三维立体景深信息。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种高速立体三维多模态成像系统，所述系统包括：

分束器，用于产生两束角度不同的第一、第二近红外子飞秒脉冲激光光束；

旋转角度分别可调的平面镜对，分别用于反射第一、第二近红外子超快脉冲激光光束；

紧聚焦透镜，用于紧聚焦第一、第二近红外子飞秒脉冲激光光束于三维微纳尺度样品上；

显微镜载物台，用于装载三维微纳尺度样品，以及三维位移样品；

成像透镜，用于收集在紧聚焦后的第一、第二近红外子飞秒脉冲激光光束照射样品下样品散射产生的多模态非线性光谱信号，得到两幅二维图像；

大面积阵列探测器，用于同时探测两幅二维图像；

真三维成像模块，用于根据探测得到的两幅二维图像进行真三维成像。